金属表面处理:热渗镀.ppt
《金属表面处理:热渗镀.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《金属表面处理:热渗镀.ppt(64页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第六章 热渗镀技术,6.1 概述及方法,定义:用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入基体金属的表面,形成一扩散合金层,这种方法叫渗镀。所形成的镀层叫做渗镀层(简称渗层)或扩散渗镀层。 热渗镀材料的选择范围很宽,渗入不同元素可得到不同组织和性能的表面(如耐蚀,耐磨,耐氧化等)。 热渗镀的特点是:镀层的形成主要依靠加热扩散的作用,所得镀层(渗层)与基体金属之间是靠形成合金来结合的,即形成冶金结合,因而结合非常牢固,镀层不宜脱落。 热渗镀方法很多,以与工件相接触的介质来分:有固渗、液渗和气渗,它们都属于直接渗镀方法;也可以联用其他涂层方法,可分为:电泳渗、膏剂渗、喷镀渗、电镀渗、化学镀渗和真空渗等,6
2、.1.1固渗法,1.粉末包渗法 粉末包渗法是固渗中最普通的方法,也是历史最为悠久的渗镀法,至今国内外仍以此法的应用为最多。 这种方法很简单,就是把工件埋入装有欲渗金属粉末、防粘结粉末和活性剂的混合物(粉末渗剂)的容器中,然后密封容器高温加热即可。,在粉末包渗法中,一般都要在粉末中加入防粘结剂(如Al2O3)和活化剂,这主要是为了避免烧结使得表面难以清理。活化剂一般为卤化物,如NH4Cl,NH4Br等。,以NH4Cl为例来看看其原理: 设A表示二价基体金属,B欲渗二价金属,则在加热时容器中会发生下列反应: NH4Cl - NH3 HCl 2NH3 - N2 3H2 2HCl + B - BCl2
3、 + H2 卤化物分解生成的N2和H2会排除容器内的空气,造成还原气氛,HCl和B反应生成BCl2。 随着加热的进行,BCl2气化,与基体金属反应,生成活性原子B BCl2 + A - ACl2 + B 活性金属原子B随后扩散进入基体金属的表面,与基体形成表面合金镀层。,优点是:设备简单,操作容易,适用于形状复杂的工件的渗镀。缺点是:尺寸和数量受限制,效率低,处理温度高,时间长,基体强度有所降低,并且粉尘使得劳动条件恶化。,2.流化床法 将工件放于带有固体渗剂的流化床内,然后加热,同时通入卤气和运载气体(H2,Ar),使之与流体粒子反应产生欲渗金属的活性原子渗入工件。 优点:传热性好,渗速快,
4、渗层质量好,有利于机械化和自动化。 缺点:设备成本高,运转费用高。,6.1.2液渗法,1.热浸法(热镀) 将工件直接浸入某一液态金属中,经较短时间即形成合金镀层。当浸渍时间极短时,所形成的镀层只是附着层而不是扩散层,因而与基体金属结合不牢固,因此一般在热浸镀后还要加热使镀层进行扩散,以形成合金层。 优点:设备简单,容易操作,生产效率高。缺点:镀层厚度不易均匀,只适于渗镀熔点较低的金属。,2.熔烧法 把渗镀金属或合金粉末加粘结剂后制成料浆,再将料浆均匀涂覆于工件表面,干燥后在惰性气体或真空环境中以稍高于料浆配方熔点的温度加热烧结,通过液固相扩散而形成合金镀层。 优点:与热浸法比,渗层成分及厚度均
5、较均匀,并且热传递性好,渗速快。,3.盐浴法 在金属盐熔融液中加入V,Nb,Cr,Ti,Ta等铁合金粉末,然后把含有较高的C,N的钢件浸入,在8001250C的温度下,经过0.510个小时的时间后,可在金属表面形成一层极硬的金属的碳氮化合物薄层,使工件表面具有较高的耐磨性。,6.1.3气渗法,首先把工件加热到渗剂原子在基体中能产生显著扩散的温度,然后把含有欲渗镀金属卤化物(BCl2)的氢气通入,气体与基体接触时,工件表面的金属A和氢本身与BCl2反应生成活性原子B渗入工件表面。 BCl2 + A -ACl2 + B BCl2 + H2 -2HCl + B 实现气渗工艺的具体方法很多,大致可分为
6、两大类:一类是渗镀金属同工件在同一空间:用HCl气体先流过被加热了的欲镀金属产生金属氯化物气体,随后使该气体流经金属表面,置换出活性原子B,进行渗镀;另一类是渗镀金属同工件不在同一空间,用H2做载体把欲渗金属的卤化物运载到工件表面。,6.1.4复合渗(联用其他涂层方法),1.电泳渗:先用电泳镀的方法做成镀层,然后加热扩散形成表面合金层。电泳镀是一种较新的电镀方法,将要镀金属微粒用溶剂做成悬浮液,加入充电剂使其形成带电粒子,在直流电场作用下这些粒子就向液体中带异号电荷的工件运动,并在工件表面上放电、沉积。电泳镀的优点是渗层厚度均匀,外观光洁,工艺简便,生产率高。,2.喷镀渗:用热喷涂的方法先把欲
7、渗金属喷到工件表面上,然后进行扩散,从而达到渗镀的目的。该法改善了热喷涂涂层的质量。 3.电镀渗:把电镀后工件加热扩散,使原电镀层为冶金结合,这种方法不仅提高了原镀层的质量,新的表面合金层还具有新的性能。 4.化学镀渗:先用化学镀的方法制得镀层,然后加热扩散获得合金层,化学镀渗可以给任何形状的工件制取镀层,如细长管子的内壁也可进行镀渗。 5.真空镀渗:真空镀渗是先用真空蒸发镀或真空溅射方法制成镀层,然后加热扩散制得镀层。该法所制成的渗层均匀而致密,适合于小工件;但加工成本高,目前只用于某些特殊零件。,6.1.5离子轰击渗镀法,离子轰击渗镀法是利用物质的第四态等离子体进行渗镀。因为等离子体离子活
8、性比原子高,加上电场的作用,因此渗速较高,质量较好。但是该法除离子氮化已经成熟,包括渗碳在内的离子渗金属尚在开发之中。,6.2 渗镀原理,6.2.1渗层形成的条件 由于渗层是基体金属原子和渗入元素原子相互扩散而形成的合金层,所以渗层形成条件是: 渗层形成条件示意图 渗入元素与基体金属必须能形成固溶体或金属间化合物渗入元素与基体金属必须保持直接的紧密接触。保持一定的温度,即保证一定的渗镀速度。生成活性原子的化学反应必须满足热力学条件。,1.渗入元素与基体金属形成固溶体或金属化合物的条件 渗入元素与基体金属形成固溶体或金属化合物的主要条件就是: 原子相对尺寸:金属学中学过“原子尺寸因素原则”,即当
9、溶质和溶剂金属原子直径差值:以(d溶质d溶剂)/d溶剂100表示 超过1415时,固溶度不会大。在渗镀方面,一般以1516作为形成渗镀层的上限,它也适用于形成金属间化合物。当然,这只是对铁基固溶体而言,对不同金属为基的固溶体来说,其上限值也有所不同,如对于难熔金属为810,而对低熔点金属则可放宽到20以上。,化学亲和力:两种金属的化学亲和力愈大,它们愈易形成金属间化合物,而不利于形成固溶体。只有当两种金属的化学亲和力小时,才易形成固溶体。但当二者的负电性之差不至于形成化合物时,其适当差异并不一定对固溶体起限制作用,相反有时还能对固溶体的形成起促进作用。 点阵类型:当渗入金属与基体点阵类型相同时
10、,容易取得大的固溶度。如当渗入金属与基体点阵类型相同时,并且原子直径差小于8时则能形成连续固溶体。,相对原子价:其影响主要体现在电子浓度方面,当形成固溶体时,溶剂金属的电子浓度不超过一定的数值,(如对面心立方的一价金属来说,这个极限值是1.36,对体心立方的一价金属来说,这个极限值为1.48),若电子浓度大到极限值时,继续渗解就不可能。 以上四个因素不是同等重要的,对固溶度的影响有时是一致的,相辅相成的,有时则是相反的。然而,总是其中一、两个因素起决定性作用,是控制因素。因此,在设计渗层成分、组织时必须全面考虑这些因素,分析其影响程度。,2. 通过化学反应提供活性原子的热力学条件 置换反应:
11、ABCl2 - ACl2 B (6-1) 还原反应: BCl2H2 - 2HCl B (6-2) 热分解反应: BCl2 - Cl2 B (6-3),置换反应: ABCl2 - ACl2B (6-1) 式(6-1)可看作是下列两个生成金属氯化物反应之差: ACl2 - ACl2 (6-4) BCl2 - BCl2 (6-5) 式(6-2)、(6-3)两反应的平衡常数分别为 KP,APACl2/aAPCl2 (6-6) KP,BPBCl2/aBPCl2 (6-7) 其中: P-气体分压 A-固体的活度,置换反应(6-1)式的平衡常数为: KP,置换aBPACl2/ aAPACl2 KP,A/ K
12、P,B (6-8)或两边取对数 KP,置换 KP,A KP,B (6-9) 即置换反应的平衡常数的对数值,恰好是该两金属同氯气反应的平衡常数的对数值之差。,假定 aA aB ,则(6-8)式可变为 KP,置换PACl2/ PBCl2KP,A/KP,B (6-10) 若 KP,A KP,B1,即P,置换1,则从式中可知:KP,A为KP,B的1/10,反应的K-T的曲线 从式(6-10)看,也就是说PACl2是PBCl2的1/10,这就意味着有约有10的氯化物蒸气BCl2转变成了渗剂金属B。同理:若KP,A KP,B2时,则表明约有1的氯化物蒸气BCl2转变成渗剂金属B.一般认为:要使渗镀所得的渗
13、层具有实用价值,1的转变量是最低限,即 KP,A KP,B的差不能小于2,否则转变量就太小,也就没有什么实用价值了。,例如: 1000附近,比较生成CrCl2和FeCl2的KT曲线,可以看出,两曲线是比较接近的,但 KP,Fe KP,Cr2, 这说明反应 FeCrCl2 - FeCl2 Cr 是能进行的。也就是说利用置换反应在FE上渗Cr从热力学上讲是可行的。 我们再将SiCl2和SnCl2这二条曲线分别同FeCl2曲线相比较,他们更加接近,所以在铁基上渗硅,渗Sn应当能更有效地进行,转变量也更多。试验也证明了这一点。 同理我们可以看出,在Ni或Mo上渗Cr用置换反应则是不可能的。,还原反应:
14、 同理,对于还原反应 BCl2H2 - 2HCl B (6-2)可看成是下列两个反应之差: BCl2 - BCl2 (6-11) H2Cl2 - 2HCl (6-12)而 KP,H2P2HCl/PH2PCl2 (6-13) 所以: KP,还原aB P2HCl/PBCl2PH2KP,H2/KP,B (6-14)或: K,P还原KP,H2 KP,B (6-15)若氢是在大气压下,则PH21,如果没有置换反应发生,则AB1,所以 式(6-14)可写成 KP,还原P2HCl/PBCl2KP,H2/KP,B (6-16),同样,要想通过还原反应进行渗镀所得到的渗层具有实用价值,1的转变量也是其最低限,这
15、时 K,P还原KP,H2 KP,B2 所以,KP,H2 KP,B的差值不得小于2,当其差值为1时,则表明有10的BCl2转化成了活性原子B渗入金属。 在KT曲线中1000附近,CrCl2曲线与HCl曲线接近,其KP还原的差值不小于2,说明依靠还原反应渗Cr是可能的,这时基体金属不参与此活性反应。同理可知,不仅在Fe上,而且在Ni和Mo(利用置换反应不能渗Cr的金属)上也能通过还原反应渗Cr,这主要是由于基体金属不参与提供渗剂原子的化学反应的结果。,热分解反应 金属氯化物的标准生成自由能,在通常的渗镀温度(8501100)下都是负值,这说明所生成的氯化物是稳定的,要使他们热分解几乎是不可能的,所
16、以,只依靠金属氯化物的分解反应生成活性原子来进行渗镀实际上是不可能的。,由上述讨论可知,在一定的温度条件下,常常不只是一种类型的化学反应发生,如在Fe上渗Cr,则置换反应和还原反应都能发生,而在Ni或Mo上渗Cr,则置换反应是不可能的。 需要强调一下:以上讨论的仅仅是根据系统自由能变化值和化学反应平衡常数来判断某种提供活性能原子的化学反应能否发生及其发生条件,但这远不是渗镀的全部条件,化学反应能否发生及随后的扩散条件能否满足等等,都要影响渗层的形成,6.2.2热渗镀的基本过程,渗层形成的基本过程包括: 产生渗剂金属的活性原子并供给基体金属表面。 渗剂金属的活性原子吸附在基体金属表面上,随后被基
17、体金属吸收。吸收过程包括活性原子溶入基体金属中,形成表面固溶体层或金属间化合物层,即最初的渗层。 随着渗剂金属原子的继续吸附和吸收,已溶入的渗剂金属原子在渗镀的高温下向基体金属内部扩散,同时,基体金属原子也向渗层里面扩散,从而使渗层增厚,即渗层成长过程。,6.2.3渗层组织特征,渗镀后所形成的渗层,其相组织和各相化学成分取决于组成该合金系的相图。在二元合金系统中,用渗剂金属原子饱和基体金属时,所获得渗层一般不会出现两相共存区,渗层的浓度分布往往是阶梯跳跃式分布,并且有相互毗邻单相区所构成。 有无限固溶相图的渗层组织:如果渗入元素与基体金属能形成一个无限固溶的二元相图,则渗层组织只是单相的二元固
18、溶体组织,但由表及里,浓度是不一样的。 有限固溶并有中间化合物相图的渗层组织:,6.2.4热渗镀速度,在渗镀的三个基本过程中,最值得注意的是进行最慢的那个步骤,或者说控制步骤,它决定了热渗镀的速度。实践证明:热渗镀过程的速度经常是由第一个步骤的速度或第三个步骤的速度所决定。一般来说,在渗镀的最初阶段是由第一个步骤,即产生渗剂活性原子的步骤来控制整个渗速的;当渗层具有一定厚度后,渗镀速度就改由第三个步骤,即原子的扩散过程来控制了,而第二个步骤,原子的吸附一般是较快的,它对渗镀速度影响不大。,影响渗镀速度的因素有: 1.渗镀速度受化学反应速度控制的阶段 反应物浓度:增加渗剂中反应物的含量,可以加快
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 金属表面 处理 热渗镀
链接地址:https://www.31doc.com/p-2924379.html